非線形MPCを用いたCMGによる人工衛星の姿勢制御

摘要

近年の技術開発、宇宙開発の発展により、宇宙機は通信や放送、技術試験などの様々なミッションに用いられている。今後、このような宇宙開発はさらに拡大、多様化していくと考えられ、実際に様々なプロジェクトが計画されている。また、将来の宇宙開発において、宇宙空間をこれまで以上に高速に移動・回転することのできる宇宙機が要求される。これを実現するためには、宇宙機の非線形な運動を直接扱う事ができる非線形制御手法が必要となる。そのために様々な制御手法が提案されているが、本研究ではモデル予測制御を適用する。モデル予測制御は、制御対象の有する制約を陽に扱うことの出来る制御法であり、オンライン計算により制御入力を逐次決定してゆく手法である。近年では、計算機の性能が向上したことからロボット制御などのサンプリング時間の短い機械システムの制御、さらには高度な理論計算を有する制御問題にも応用の範囲を広げている。人工衛星の高速回転制御にはCMGによる制御が有効である。CMGは角運動量交換型でありながら、同体積のリアクションホイールと比較して数十倍のトルクを出力することが出来るためである。しかし、CMGは複雑なトルク発生メカニズムを持っており、それに由来した問題が現在も残されている。CMG使用の最も大きな問題点は特異点の存在である。特異点では、搭載されている複数台のCMGの発生するトルク方向が、ジンバル角の組合わせによって同一平面上になってしまい、それ以外の方向にはトルクを発生出来なくなる。こうした状態は、連続して安定な制御を行う際の障害となるので、特異点はCMG姿勢制御方式の最大の難点である。本研究ではまず、CMGを用いた衛星モデルのシミュレーションを行い、特異点の回避を試みた。ここで、特異点を回避する手法として評価関数に特異点を回避するための項を挿入する方法と状態に拘束を加えることで特異点を回避する手法を比較検討した。また、ジンバル角に拘束をかけたシミュレーションを行うことによって、ジンバル角の稼動領域に制限のあるCMGが用いられている人工衛星の制御を検討した。